Nosivi uređaji kao što su pametni satovi, fitnes trackeri i slušalice za virtuelnu stvarnost postaju uobičajene. Pokreće ih fleksibilna elektronika koja se sastoji od elektroda sa plastičnom ili metalnom folijom kao podlogama. Međutim, oba ova imaju svoje nedostatke. Plastika pati od slabog prianjanja i niske izdržljivosti, dok metalne folije čine uređaje glomaznim i manje fleksibilnim.
U svetlu ovoga, papir je obećavajuća alternativa. Porozna je, lagana, tanka, sklopiva i fleksibilna. Štaviše, papir ima nasumično raspoređena vlakna koja obezbeđuju veliku površinu za nanošenje aktivnog elektrodnog materijala, što omogućava odlične elektrohemijske osobine.
Shodno tome, istraživači su razvili različite superkondenzatore na bazi papira, uređaje koji skladište električni naboj i energiju, slaganjem više listova, delujući kao pozitivne i negativne elektrode i separatori. Međutim, takav raspored povećava veličinu i otpornost uređaja. Pored toga, imaju tendenciju da formiraju nabore, ljušte se i klize jedna preko druge, što dodatno pogoršava performanse uređaja.
Da bi se pozabavila ovim problemima, grupa istraživača sa Univerziteta Chung-Ang, predvođena profesorom Suk Tai Changom i vanrednim profesorom Inho Namom, nedavno je napravila strukturu koja se sastoji od višeslojnih elektroda vertikalno integrisanih u jednom listu papira. Novi dizajn prevazilazi probleme povezane sa naslaganim listovima dok zadržava inherentne prednosti podloge na bazi papira. Njihov rad je objavljen u časopisu Chemical Engineering Journal.
Dr Nam ukratko opisuje proces proizvodnje: „Prvo je odštampan vodoodbojni sloj parafinskog voska i zagrejan sa obe strane filter papira. Ovo je formiralo kanal pogodan za vodu okružen voštanom barijerom unutar papira. Nakon toga, papir je sukcesivno potopljen u nanočestice zlata i rastvore za poboljšanje zlata, koji su kapilarnim delovanjem prodirali u kanal, što je rezultiralo zlatnom elektrodom u sredini papira. Slične elektrode su zatim napravljene na gornjoj i donjoj površini papira da bi se dobio višestruki -platforma elektroda sloja.“
Istraživači su završili dizajn superkondenzatora taloženjem mangan-dioksida – aktivnog materijala elektrode – na elektrodu od zlatnog papira, koja je zatim uronjena u rastvor polivinil alkohol-natrijum sulfat gel elektrolita. Nakon što se gel očvrsnuo, oni su okarakterisali elektrode od mangan-dioksida -zlatnog papira koristeći različite tehnike elektrohemijskog merenja, kao što su ciklična voltametrija, galvanostatsko punjenje i pražnjenje, i spektroskopija elektrohemijske impedanse.
Na njihovo oduševljenje, dizajn superkondenzatora pokazao je nizak električni otpor, visoku savitljivost i dobru mehaničku čvrstoću. Mangan dioksid je povećao svoju aktivnu površinu, što je dodatno povećalo elektrohemijske performanse. Pored toga, superkondenzator je pokazao visoko skladištenje energije sa maksimalnom površinskom energijom i gustinom snage od 13,73 μV-hr-cm -2 i 1,6 mV-cm -2, respektivno. Štaviše, zadržao je svoj kapacitet skladištenja čak i nakon što je prošao kroz 6000 ciklusa punjenja-pražnjenja.
U stvari, višeslojna elektrodna superkondenzatorska platforma je super-gusti uređaj za skladištenje energije koji koristi dvodimenzionalnu površinu papira kao trodimenzionalnu skelu. Dalje, može se koristiti u paralelnim i serijskim konfiguracijama integrisanih kola bez modifikacije spoljnih žica i kola.
„Naša predložena platforma zaobilazi većinu izazova u proizvodnji vezanih za dvodimenzionalne ploče za skladištenje energije. Verujemo da će nalazi naše studije voditi buduću proizvodnju papirne elektronike sa više višeslojnih elektroda“, kaže prof. Čang.
